Almanya’daki araştırmacılar, ilk kez gümüş içeren sentetik kristaller kullanarak hidrojen izotoplarını filtrelemenin bir yolunu keşfetti. Bu teknik, kullanılmayan yakıtın geri kazanılmasını ve geri dönüştürülmesini sağlayarak gelecekteki nükleer füzyon santralleri için önemli bir mühendislik sorununu çözüyor.
Çalışma, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf bünyesindeki ekip üyeleri ile Leipzig Üniversitesi ve Max Planck Katı Hal Araştırmaları Enstitüsü bünyesindeki ortaklar tarafından yürütüldü. Ekibin çalışması, mikroskobik kanallarla dolu gözenekli malzemeler olan sentetik zeolitlere odaklanıyor.
Ticari füzyon reaktörleri, döteryum ve trityum olarak bilinen iki ağır hidrojen izotopunun karışımıyla çalışacak. Bu atomlar reaktör içinde ısıtıldığında birleşerek devasa miktarda enerji açığa çıkarıyor.
Araştırmacılar yayımladıkları basın bülteninde, “Ancak yakıt tamamen tüketilmiyor. Önemli bir miktar, reaktör malzemeleriyle yaşanan yan tepkimelerin bir ürünü olabilen ya da gaz salımıyla ortaya çıkan ve protyum olarak da bilinen sıradan hidrojenle birlikte geride kalıyor.” ifadesini kullandı. ”
Bu gaz karışımını geri dönüştürmek uzun süredir ciddi bir teknik engel oluşturuyordu. Protyum, döteryum ve trityum birebir aynı kimyasal yapıyı paylaştığı için standart kimyasal filtreler bunları birbirinden ayıramıyor. Bu izotoplar yalnızca atom çekirdeklerindeki nötron sayısıyla birbirinden ayrılıyor.
İzotopları Ayrıştırmak için Kuantum Kuvvetlerinden Yararlanılıyor
Araştırma ekibi bu kısıtlamayı aşmak için kuantum fiziğine yöneldi. Hidrojen gazı gümüş yüklü zeolit boşluklarına girdiğinde, moleküller gümüş iyonlarının etrafındaki elektronik alanlarla etkileşime giriyor.
HZDR ve Leipzig Üniversitesi’nde profesör olan Cornelius Fischer, “Temel etki, hidrojen molekülleri ile gümüş iyonlarının elektronik yapısı arasındaki etkileşimden kaynaklanıyor.” dedi. Bu etkileşim, gaz moleküllerini boşlukların duvarlarına çeken bir kuvvet alanı oluşturuyor.
Döteryum ve trityum sıradan hidrojenden daha ağır olduğu için kuantum temel enerji seviyeleri daha düşük. Bu enerji farkı, iki ağır izotopun gümüş iyonlarının bulunduğu noktalara hafif protiyuma kıyasla çok daha güçlü biçimde tutunmasına neden oluyor.
Araştırmacılar daha sonra hapsolmuş gazları ayırmak için ısı kullanıyor. Zeolit ısıtıldıkça moleküller ağırlıklarına bağlı olarak aşamalı biçimde serbest kalıyor. Önce düşük sıcaklıklarda protiyum ayrılıyor, ardından döteryum geliyor. Trityum ise en uzun süre bağlı kalıyor ve serbest bırakılması için en yüksek sıcaklık gerekiyor.
Üç izotopun eşit miktarlarda kullanıldığı laboratuvar testlerinde süreç, gaz karışımındaki oranları çarpıcı biçimde değiştirdi. Başlangıçta eşit olan karışım, işlem sonunda 1 birim protiyum, 41 birim döteryum ve 175 birim trityum oranına dönüştü. Bu, bilim insanlarının üç bileşenli bir hidrojen karışımını katı ve gözenekli bir malzeme kullanarak ilk kez başarıyla ayırması anlamına geliyor.
Endüstriyel Etkiler ve Gelecek Araştırmalar
Fischer, “Bunlar yalnızca küçük farklar değil. Ayırma işlemi tek bir adımda bile son derece verimli.” dedi.
Bu keşif, ticari füzyon santrallerinde kapalı döngü yakıt sistemi kurulabilmesi açısındanson derece önemli. Verimli bir yakıt ayrıştırma sistemi olmadan santraller, nadir bulunan trityumun büyük miktarlarını israf eder ve kesintisiz çalışmayı sürdürmekte zorlanır.
Gümüş katkılı kristal matris, radyasyona karşı da dayanıklı olduğunu gösterdi. Trityum radyoaktif bozunmaya uğruyor ve zaman içinde gözenekli malzemelere zarar verebilecek parçacıklar yayıyor. Birkaç saat süren maruz kalma testlerinde zeolit, yapısal hasar görmeden tam filtreleme kapasitesini korudu.
Fischer sözlerini şöyle tamamlıyor: “ “Bu henüz uzun süreli teknik kullanım için bir kanıt değil, ancak bu malzeme sınıfının daha fazla araştırılmaya kesinlikle değer olduğuna dair önemli bir gösterge. Görevimiz, bunun temelindeki mekanizmaları nicel olarak anlamak ve farklı malzemeleri sistematik biçimde karşılaştırmak.”
Kaynak: https://interestingengineering.com/energy/nuclear-fusion-reactors-get-first-silver-tritium
